Gehirnleistung

In einem kleinen Labor der Brown University in Providence, RI, sitzt ein Rhesusaffe auf einem Stuhl mit Blick auf einen Computerbildschirm und hält den Griff eines Geräts, das einer Ruderpinne eines Segelboots sehr ähnlich sieht. Im Moment benutzt der Affe dieses Gerät wie einen Computer-Joystick, um ein einfaches Videospiel zu steuern: Auf dem Bildschirm erscheint ein farbiger Punkt, und das Tier bewegt den Cursor, um ihn zu treffen. Sobald das Tier die Aufgabe jedoch gut kann, legen die Forscher im Nebenraum einen Schalter um und es werden Signale direkt aus dem Gehirn des Affen, nicht die Bewegungen des Joysticks, die den Cursor antreiben.

Diese unheimliche Leistung ist möglich, weil die Forscher um den Brown-Neurowissenschaftler John Donoghue eine winzige Elektrodenanordnung in das Gehirn des Affen implantiert haben. Die Elektroden fangen Signale einzelner Neuronen im Gehirn ab, und ein speziell entwickelter Computeralgorithmus übersetzt diese Signale in Flugbahnen und Geschwindigkeiten für den Computercursor. Die Ambitionen der Forscher gehen jedoch weit über Videospiele spielende Affen hinaus. Ihre Hoffnung ist, dass ihr Gehirn-Maschine-Schnittstellensystem Patienten, die durch Rückenmarksverletzungen oder neurodegenerative Erkrankungen gelähmt sind, neue Fähigkeiten zur Interaktion mit der Welt um sie herum geben wird – und das nur mithilfe der Kraft ihrer Gedanken.

Handhelds von morgen

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom April 2002



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Donoghue und sein Team haben Cyberkinetics im Juni 2001 ins Leben gerufen, um diese Vision zu verfolgen. Das Unternehmen ist eines der ersten Unternehmen, das aus der Forschung an Gehirn-Maschine-Schnittstellen hervorgegangen ist, die bisher hauptsächlich an eine Handvoll akademischer Labore auf der ganzen Welt verbannt wurden ( siehe Gehirn-Maschine-Schnittstellen , KINDER Januar/Februar 2001 ). Und obwohl noch viel zu tun ist, könnte ein System wie das von Cyberkinetics, das direkt in das Gehirn greift, gelähmten Patienten theoretisch die Möglichkeit geben, Computer, Roboterhilfen und vielleicht sogar ihre eigenen Muskeln zu steuern. Cyberkinetics will bis Ende dieses Jahres damit beginnen, diese Theorie am Menschen zu testen.

In den Affenstudien, die den Weg für die Humantests ebnen werden, konzentriert sich das Unternehmen, zu dem die Mitbegründer Nicholas Hatsopoulos von der University of Chicago, Brown MD/PhD-Student Mijail Serruya und Gerhard Friehs, ein Neurochirurg am Rhode Island Hospital in Providence, gehören, auf der Bereich des Gehirns, der Befehle an den Arm des Affen ausgibt. Friehs implantiert zunächst eine vier Millimeter große Anordnung von 100 Elektroden in diese Region, die sich in der äußersten Schicht des Gehirns befindet, etwa auf halbem Weg zwischen Ohr und Schädeldecke. Nach der Operation schlängelt sich ein kleines Bündel Drähte aus dem Array durch ein Loch im Schädel des Tieres; Diese Drähte werden an einen Computer angeschlossen, der die elektrischen Signale, die von Neuronen erzeugt werden, die in der Nähe jeder Elektrode feuern, in die Maschine einspeist.

Hatsopoulos sitzt an diesem Computer, während der angeschlossene Affe im Nebenzimmer ein Videospiel übt. Die vom Array aufgenommene Gehirnaktivität blinkt als ein Durcheinander hyperkinetischer EKG-ähnlicher Grafiken über den Bildschirm; Über die Lautsprecher des Computers hörbar, knacken, knacken und knallen Gehirnsignale wie Rice Krispies in Milch. Hatsopoulos dreht die Lautstärke auf. Ich werde nie müde, mir das anzuhören, sagt er. Das ist wirklich so, als würde man die Gedanken lesen, Zellen im Gehirn belauschen, während der Affe an etwas denkt. Mustererkennungssoftware fischt die Signalspitzen – die jeweils ein einzelnes Feuern eines einzelnen Neurons darstellen – aus dem Hintergrundrauschen des Gehirns und korreliert sie mit der Position des Affenarms. Das Erstaunliche, sagt Donoghue, ist, dass man sehr schnell ein Gefühl für die Aktivität der Neuronen bekommen und die Flugbahn der Hand extrahieren kann. Tatsächlich kann der Computer mit nur etwa drei Minuten Daten aus der Videospielübung ein Modell erstellen, das die Armbewegungen des Affen allein aus dem Gehirnsignal extrapolieren kann. Sobald das Modell fein abgestimmt ist, kann der Computer das Gehirnsignal verwenden, um in Echtzeit entweder einen Cursor oder einen Roboterarm zu steuern.

Solche vielversprechenden Ergebnisse sind Teil dessen, was die Forscher dazu inspirierte, Cyberkinetics auf den Markt zu bringen und klinische Studien voranzutreiben. Wir wissen schon so viel; Jetzt wollen wir es nutzen, sagt Serruya. Die Teilnehmer an den ersten menschlichen Tests von Cyberkinetics werden eingeschlossene Patienten sein, die aufgrund einer Verletzung, eines Schlaganfalls oder einer neurologischen Erkrankung vollständig gelähmt sind und nicht einmal in der Lage sind, außer durch subtile Bewegungen ihrer Augen zu kommunizieren. In diesen ersten Versuchen wird das Unternehmen das Elektrodenarray implantieren, das von Salt Lake City, UT-based Bionic Technologies, hergestellt wird, aber die Signalverarbeitungshardware und die Stromversorgung werden außerhalb des Körpers bleiben. Wenn diese ersten Tests am Menschen das Versprechen der Affenexperimente halten, plant das Unternehmen, die Technologie weiterzuentwickeln, um ein vollständig implantierbares Gerät zu schaffen.

Bis heute hat nur ein Unternehmen menschliche Tests eines Implantats zur Aufzeichnung des Gehirns mit dem Ziel durchgeführt, die Funktion von gelähmten Patienten wiederherzustellen: Neural Signals aus Atlanta, GA. Anstelle eines Elektroden-Arrays implantiert das Unternehmen zwei neurotrophe Elektroden – Glasröhrchen mit winzigen Drähten und einer Substanz, die das Wachstum von Gehirnzellen in die Geräte anregt. Der Neurologe und Gründer von Neural Signals, Philip Kennedy, sagt, dass die 1997 begonnenen Studien langsamer voranschreiten, als er ursprünglich erhofft hatte, aber dass das Unternehmen bis Ende des Jahres einige klare Ergebnisse haben sollte. Cyberkinetics-Forscher glauben jedoch, dass die Implantation von 100 statt nur zwei Elektroden ihr System robuster macht und es ihm ermöglicht, mehr Informationen aus dem Gehirn zu sammeln.

Während die jüngsten Arbeiten zu Gehirn-Maschine-Schnittstellen ermutigend sind, bleiben einige erhebliche Hürden bestehen, sagt William Heetderks, Leiter des Neuralprothesenprogramms des National Institutes of Health, das die Forschung an Gehirn-Maschine-Schnittstellen finanziert. Die vielleicht größte Herausforderung besteht laut Heetderks darin, eine Schnittstelle zwischen dem Aufnahmegerät (einem starren Stück Hardware) und dem Gehirn (einer matschigen Masse, die im Liquor schwimmt) aufzubauen, die trotz kleiner Bewegungen des Gehirns ihre genaue Position jahrzehntelang beibehält . Während sowohl Kennedys als auch Donoghues Geräte einen Fortschritt an dieser Front darstellen – Kennedys, indem er Zellen dazu anregt, in das Gerät hineinzuwachsen und die Verbindung zu stabilisieren, Donoghues, indem er das Gehirn so greift, wie Golfschuhe nasse Erde greifen – glaubt Heetderks, dass letztendlich eine Kombination von Ansätzen notwendig sein könnte . An diesem Punkt, sagt Heetderks, könnten Humanstudien noch ein bisschen verfrüht sein. Aber das ist natürlich nur eine Meinung.

Greg Licholai, Director of Ventures and Business Development für die neurologische Abteilung von Minneapolis, Medtronic mit Sitz in MN, vertritt eine andere Sichtweise. Dies ist wirklich ein Durchbruch bei der Herangehensweise an neurologische Störungen, sagt Licholai über Donoghues Bemühungen. Ich glaube nicht, dass es ein Problem bei der Patientenrekrutierung geben wird, und das System hat sich im Tiermodell gut bewährt. Die einzige potenzielle Verzögerung besteht darin, wie lange es dauert, die Dokumente zu erstellen und die FDA-Zulassung für diese frühen Studien zu erhalten.

Der Geschäftsführer und einzige Angestellte von Cyberkinetics, Brown Undergraduate Mikhail Shapiro, hilft dem Unternehmen bei der Suche nach dem Managementteam und finanziert es, um diesen Papierkram in Ordnung zu bringen und die menschlichen Tests in Gang zu bringen. Shapiro und die Gründer des Unternehmens sind sich alle bewusst, dass sie sich sowohl geschäftlichen als auch technologischen Herausforderungen stellen werden, sind aber auch davon überzeugt, dass dies, wie Hatsopoulos es ausdrückt, real ist. Das wird den Leuten wirklich helfen.

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